基于理性思維培養的科學探究教學
——以光的反射為例

沈偉云

(浙江省嵊州市教育體育局教研室,浙江 嵊州 312400)

初中科學課程標準指出,科學是以多樣統一的自然界為研究對象的探究活動,是建立在證據和理性思維的基礎上的,在探究教學中要注重培養學生的思維技能和能力.[1]理性思維是一種建立在證據和邏輯推理基礎上的思維方式,是學生一項重要的核心素養,它包括模型與建模、科學推理、科學論證、質疑創新.庫恩認為,理性思維是智力發展的最終目標,教育的核心在于發展學生的思維,尤其是理性思維.[2]探究既是學生獲取科學知識的一項重要手段,也是學習科學的重要內容.通過探究實驗的開展,在培養學生科學探究能力的同時,也要注重學生理性思維的發展.現以光的反射為例,開展基于學生理性思維發展的教學實踐與探索.

1 繪圖析圖,培養學生模型與建模的思維

模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述.[3]在科學教學中,對較為復雜、影響因素眾多的實際問題常常進行“簡化”處理,通常以實物模型或圖畫形式來直觀表達研究對象的特征.

圖1 光的反射模型

如在桌面上放置一面平面鏡,將激光筆發出的光束射至平面鏡上,觀察光傳播方向的變化情況,教師可引導學生建立實物模型:用泡沫板作為鏡面,用一根鐵絲作為入射光線,另一根鐵絲作為反射光線,中間插一根針作為法線.在此基礎上,繪制出光的反射圖,建立光學模型,如圖1所示,結合光的反射模型,在學生閱讀教材內容的基礎上,讓學生說出入射點、入射角、反射角、法線的概念.

又如教師可通過創設問題情境,讓學生通過建構模型去解決實際問題,如小李爸爸的手機掉到沙發下,沒有手電筒,小李怎樣借助平面鏡反射的燈光去找手機,可作出如圖2的模型.

圖2 反射燈光找手機模型

科學思維是科學教學的核心,而建構和使用模型是形成科學思維的基本途徑.[4]模型是融入科學知識的載體,通過建構和分析模型,不僅有助于促進學生理性思維的發展,也有利于提高學生繪圖析圖能力.

2 分析證據,培養學生科學論證思維

在科學探究中,論證就是把現有的資料、數據和假設聯系起來,分析這些事實與假設之間究竟存在什么關系,能否通過這些資料和數據證明或證偽猜想與假設.[5]美國《K-12科學教學框架》將“論證”列為8項科學實踐活動之一,指出“論證”與科學探究、數據分析、建立模型等皆為科學教育所要幫助學生發展的科學素養.教師可在引導學生對實驗事實數據分析的基礎上,通過論證得出科學結論或規律.

圖3 探究光的反射規律

如圖3所示把一平面鏡M放在水平桌面上,再把一塊硬紙板豎直地立在平面鏡上,光束從左側射入,觀察到反射光線在右側,把光束從右側入射,觀察反射光線在左側,重復多次,通過引導學生分析實驗現象,可論證“反射光線和入射光線分居法線兩側”的假設是正確的.

又如把E、F置于同一平面內,改變光束的入射方向,描出入射光線和反射光線的徑跡,測出反射角、入射角,完成多次,填寫表1.

表1 光的反射角和入射角

通過分析表1數據,即可論證“反射角等于入射角”假設.

通過分析實驗事實,論證假設正確與否,從而得出實驗結論,這是科學論證的過程,分析是論證的基礎,論證是分析的必然結果,在分析論證結束后,教師要及時組織學生交流討論,反思方法是否合理、事實是否充分、過程是否嚴謹、結論是否科學,進而有力地培養學生的分析論證思維能力.

3 學以致用,培養學生科學推理思維

基于物理學科核心素養的“科學思維”維度對科學推理的相關描述是:“能從定性和定量兩個方面進行科學推理,找出規律,得出結論,具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力”.[6]教師可通過創設問題情境,引導學生遷移應用科學知識,運用歸納與演繹推理方法解決實際問題.

圖4 探究墻面光點的位置變化

如教師可創設如圖4所示的情境,然后提出問題:用力按壓平面鏡之間的桌面時,經過平面鏡反射后照到墻面上的光點位置將如何變化?

當用力F在平面鏡之間的桌面按壓時,由于力能改變物體的形狀,會導致中間桌面變形下降,于是兩塊平面鏡將向中間傾斜,光束的位置相對降低,可推導出照到墻面上的光點位置將下降.

圖5 觀察未發光的燈泡

又如黑暗的房間里有兩盞燈,只有一盞燈點亮,人是怎樣看到未點亮的燈泡的?引導學生推導如下:人眼能觀察到物體,是因為光源發出光照射到物體上,物體將光反射到人眼,人眼因此可以看到物體,而人在黑暗的房間里看到未點亮的燈泡,是因為光線從發亮的燈泡發出,照射到未發光的燈泡,反射進人的眼睛,如圖5所示.

美國國家科學研究理事會NRC認為,傳統課堂教學中學生記憶的科學知識很容易被遺忘,而“參與科學推理”的過程會讓學生的科學思維得到發展,同時促進對科學知識的理解.[2]通過學以致用,不僅有助于培養學生解決實際問題的能力,也有利于發展學生科學推理的理性思維.

4 交流提問,培養學生質疑創新思維

批判性思維是對自己或別人已有的思考和結論采取批判的態度,進行理由充分、邏輯嚴密的反思,提出質疑,看清情況和進行獨立分析的過程.[7]在探究實驗過程中,教師要鼓勵學生敢于提出質疑,在實驗交流評價階段,教師也要積極引導學生提出不同觀點.

如學生提出為什么光的反射規律中要表述“反射角等于入射角”,而不是“入射角等于反射角”?為什么不能通過一次實驗得出結論?反射光線與入射光線強弱一樣嗎?為什么不比較“反射光與平面鏡的夾角”與“入射光與平面鏡的夾角”大小?為什么要將紙板垂直于平面鏡放置?等等.

對于學生提出的問題,教師思想上要高度重視,要引導學生積極思考,通過查閱資料或改進實驗來自主解決問題.

如為了解決學生“為什么要將紙板垂直于平面鏡放置”這個問題,有一組學生設計了如下實驗:如圖6在煙箱中可輕易顯示反射光路,并確定AOB3點位置,接著用一個平面去承接AOB3點,通過實驗觀察,可發現兩個平面存在垂直關系,如圖7所示.

圖6 煙箱中光的反射

圖7 平面承接AOB

任何一個探究實驗都隱含了許多疑問,教師要積極引導學生從實驗原理、操作、現象、結論等方面去提出質疑.并且要注重學生自主釋疑,通過實驗改進去解決疑問,從而培養學生的創造性思維品質.